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Die
Erfindung betrifft eine rückwärts leitende Thyristoreinrichtung,
bei der eine Diode und ein Thyristor antiparallel verbunden und
auf demselben Substrat gebildet sind, wobei die Thyristoreinrichtung
folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat von einem ersten Leitfähigkeitstyp
einen Diodenbereich von einem zweiten Leitfähigkeitstyp der Diode, der
in einer Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats gebildet ist; und einen Basisbereich vom
zweiten Leitfähigkeitstyp
des Thyristors, der in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats
so gebildet ist, daß er
von dem Diodenbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps durch einen Trennbereich
getrennt ist.
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Im
allgemeinen sind bei einer rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung ein Abschaltthyristor (nachstehend kurz: GTO-Thyristor)
und eine Freilaufdiode miteinander antiparallel verbunden. 8 ist eine
Querschnittsansicht einer herkömmlichen
rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung, die allgemein mit 500 bezeichnet
ist.
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Die
rückwärts leitende
Thyristoreinrichtung weist folgendes auf: einen Diodenbereich, der
mit A in 8 angedeutet ist, einen GTO-Thyristorbereich, der
in 8 mit B bezeichnet ist, und einen Trennbereich
C, der zwischen diesen beiden Bereichen eingeschlossen ist.
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Bei
dieser rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung ist eine p-Schicht 502 mit einer Schichtdicke von
ca. 90 μm
auf einer ersten Hauptoberfläche
eines N– -Siliziumsubstrats 501 ausgebildet,
das die erste Hauptoberfläche
und eine zweite Hauptoberfläche hat.
Zur elektrischen Trennung zwischen dem Diodenbereich A und dem GTO-Thyristorbereich
B ist die p-Schicht 502 des Trennbereichs C in Form einer Rille
geätzt,
die eine Tiefe von ca. 60 μm
und eine Breite von ca. 5 mm hat.
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Dadurch
wird ein Widerstandswert zwischen dem Diodenbereich A und dem GTO-Thyristorbereich
B von etwa 300 bis 500 Ω erreicht.
Ferner ist eine n-Schicht 503 auf der p-Schicht 502 in
dem GTO-Thyristorbereich B gebildet.
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Ferner
ist eine n+-Schicht 504 auf einer
zweiten Hauptoberfläche
des n–-Siliziumsubstrats 501 gebildet,
und eine p-Schicht 505 und eine n++-Schicht 506 sind
auf der n+-Schicht 504 gebildet.
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Außerdem ist
eine Kathodenelektrode 510 auf der n-Schicht 503 in
dem GTO-Thyristorbereich B angeordnet, und eine Steuerelektrode 511 ist
auf der p-Schicht 502 angeordnet. Ferner ist eine Kathodenelektrode 512 auf
der p-Schicht 502 in dem Diodenbereich A angeordnet.
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Eine
Anodenelektrode 513 ist auf der zweiten Hauptoberfläche des
n–-Siliziumhalbleitersubstrats 501 als
gemeinsame Elektrode für
den Diodenbereich A und den GTO-Thyristorbereich B angeordnet.
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9 ist
ein Schaltbild der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung 500. Die p-Schicht 502 und die
n+-Schicht 504, die in 8 gezeigt
sind, bilden den Diodenbereich, während die n-Schicht 503,
die p-Schicht 502, die n+-Schicht 504 und
die p-Schicht 505 den GTO-Thyristorbereich bilden.
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Bei
der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung 500 ist jedoch die Oberfläche des
Trennbereichs C, der den Diodenbereich A von dem GTO-Thyristorbereich
B trennt, groß,
was ein Hindernis bei der Größenverringerung
der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung 500 ist. Wenn ferner eine Vielzahl
von rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtungen 500 auf einem großen Wafer
gefertigt werden sollen, werden die p-Schichten 502 in
bezug auf die Tiefe innerhalb des Wafers ungleichmäßig geätzt, und
daher sind die Isolationseigenschaften der Trennbereiche C nicht gleichmäßig.
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Eine
rückwärts leitende
Thyristoreinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
EP 0 621 643 A1 bekannt.
Dort weist der Trennbereich einen Dünnschichtbereich vom zweiten
Leitfähigkeitstyp
auf, der in der Hauptfläche
des Halbleitersubstrats gebildet ist, wobei der Dünnschichtbereich
durch eine Nut in dem Trennbereich realisiert wird. Der Trennbereich der
herkömmlichen
Vorrichtung besitzt auch ringförmige
Bereiche vom zweiten Leitfähigkeitstyp
sowie ringförmige
Bereiche vom ersten Leitfähigkeitstyp, die
abwechselnd nebeneinander angeordnet und auf einer Anodenelektrode
angebracht sind, die sich an der Unterseite der Thyristoreinrichtung
befindet.
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Die
herkömmliche
Anordnung gibt jedoch keinerlei Anregung, sowohl den Dünnschichtbereich vom
zweiten Leitfähigkeitstyp
als auch den Schutzringbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp in der Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats auszubilden, und zwar als Bestandteile des Trennbereiches.
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In
der
US 5 835 985 ist
eine rückwärts leitende
Thyristoreinrichtung angegeben, wobei sowohl ein Dünnschichtbereich
als auch ein Schutzringbereich vorgesehen sein kann, allerdings
handelt es sich dort um eine andere Bauform als beim Anmeldungsgegenstand.
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In
der
EP 0 143 259 B1 ist
ein Thyristor angegeben, bei dem ein Schutzringbereich vorgesehen ist,
der einen inneren Schutzring und einen den inneren Schutzring umgebenden äußeren Schutzring
aufweist, welche sich von einer Oxidschicht an der Oberseite der
Baugruppe weit in die Tiefe der Thyristoreinrichtung erstrecken.
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Eine
weitere rückwärts leitende
Thyristoreinrichtung ist aus der
DE 196 40 656 A1 bekannt. Allerdings sind
in deren Trennbereich weder ein Dünnschichtbereich noch ein Schutzringbereich
ausgebildet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rückwärts leitende Thyristoreinrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein Trennbereich eine
kleine Oberfläche
besitzt und die Isolationseigenschaften gleichmäßig ausgebildet sind.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht
darin, eine rückwärts leitende
Thyristoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 anzugeben. Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Thyristoreinrichtung sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung hat der Trennbereich insgesamt eine kleine
Oberflächengröße, und
die Abweichungen der Isolationseigenschaften in dem Trennbereich
sind gering. Da der Dünnschichtbereich
in dem Trennbereich selbst ausgebildet ist, wird es möglich, eine
Zerstörung
des Schaltelements infolge einer Konzentration von Kriechströmen zu verhindern.
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Der
Abstand zwischen dem Schutzringbereich und dem Diodenbereich vom
zweiten Leitfähigkeitstyp
sowie der Abstand zwischen dem Schutzringbereich und dem Basisbereich
vom zweiten Leitfähigkeitstyp
ist bevorzugt jeweils 30 μm
oder kleiner. Dies dient der Erhöhung
der Durchbruchspannung der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung.
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Die
Tiefe des Schutzringbereichs ist bevorzugt kleiner als die Tiefe
des Diodenbereichs vom zweiten Leitfähigkeitstyp und die Tiefe des
Basisbereichs vom zweiten Leitfähigkeitstyp.
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Es
wird bevorzugt, daß zwei
oder mehr solche Schutzringbereiche gebildet sind. Dies dient der Erzielung
von ausreichenden Isolationseigenschaften in dem Trennbereich.
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Der
Abstand zwischen den Schutzringbereichen ist bevorzugt 30 μm oder kleiner.
Dies dient der Erhöhung
der Durchbruchspannung der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung.
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Die
Tiefe des Dünnschichtbereichs
ist bevorzugt 10 μm
oder kleiner. Dies dient der Erzielung von ausreichenden Isolationseigenschaften
in dem Trennbereich.
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Die
Konzentration von Störstellen
vom zweiten Leitfähigkeitstyp,
die in dem Dünnschichtbereich enthalten
ist, ist bevorzugt niedriger als die Konzentrationen von Störstellen
des zweiten Leitfähigkeitstyps,
die in dem Diodenbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp und dem Basisbereich
vom zweiten Leitfähigkeitstyp
enthalten sind.
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Die
Konzentration von Störstellen
vom zweiten Leitfähigkeitstyp,
die in dem Schutzringbereich enthalten ist, ist bevorzugt höher als
die Konzentrationen von Störstellen
vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die
in dem Diodenbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp und dem Basisbereich
vom zweiten Leitfähigkeitstyp
enthalten sind.
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Es
wird bevorzugt, daß die
Konzentrationen von Störstellen
vom zweiten Leitfähigkeitstyp,
die in dem Schutzringbereich, dem Diodenbereich und dem Basisbereich
vom zweiten Leitfähigkeits typ
sowie in dem Dünnschichtbereich
enthalten sind, in der genannten Reihenfolge fortschreitend niedriger
sind.
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Wie
vorstehend deutlich beschrieben wird, ist es mit der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung gemäß der Erfindung
möglich,
die Größe der Oberfläche des
Trennbereichs zu verringern und somit das Element kleiner zu bauen.
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Bei
der Fertigung einer Vielzahl von solchen rückwärts leitenden Thyristoreinrichtungen
ist es ferner möglich,
Abweichungen der Isolationseigenschaften des Trennbereichs zu verringern
und somit sicherzustellen, daß die
Elementeigenschaften gleichmäßig sind.
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Außerdem ist
es möglich,
die Zerstörung
des Elements durch Kriechströme
zu verhindern und dadurch die Fertigungsausbeute der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtungen zu verbessern.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 einen
Querschnitt der bevorzugten Ausführungsform
der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung der Erfindung;
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2 einen
Querschnitt des ersten Beispiels der rückwärts leitenden Thyristoreinrichtung
der Erfindung;
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3 den
Zusammenhang zwischen den Abständen
zwischen den p-leitenden Bereichen und der Durchbruchspannung;
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4 einen
Querschnitt des zweiten Beispiels der rückwärts leitenden Thyristoreinrichtung der
Erfindung;
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5 den
Zusammenhang zwischen der Tiefe der Dünnschichtbereiche und dem Widerstandswert;
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6 den
Zusammenhang zwischen der Konzentration der Dünnschichtbereiche und dem Widerstandswert;
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7 einen
Querschnitt des dritten Beispiels der rückwärts leitenden Thyristoreinrichtung
der Erfindung;
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8 einen
Querschnitt der herkömmlichen rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung; und
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9 ein
Schaltbild der herkömmlichen rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung.
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1 ist
ein Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fertigungsschritte
der Aufbau der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung beschrieben.
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Für die rückwärts leitende
Thyristoreinrichtung, die allgemein mit 100 bezeichnet
ist, wird zuerst ein n–-Siliziumhalbleitersubstrat 1 mit
einer ersten Hauptoberfläche
und einer zweiten Hauptoberfläche hergestellt.
Die Störstellenkonzentration
von n-leitenden Störstellen
in dem Halbleitersubstrat 1 ist ca. 7 × 1016 Atome/cm3.
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In
einem Diodenbereich A wird eine p-Schicht 2 durch Diffundieren
oder dergleichen auf der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 1 gebildet.
Die Störstellenkonzentration
von p-leitenden Störstellen
in der p-Schicht 2 ist ca. 1 × 1016 Atome/cm3 bis 7 × 1016 Atome/cm3 und
bevorzugt ca. 4 × 1016 Atome/cm3.
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In
einem GTO-Thyristorbereich B werden eine p-Basisschicht 2' und eine n-Kathodenschicht 3 nacheinander
auf der ersten Hauptoberfläche
gebildet. Die Störstellenkonzentration
von p-leitenden Störstellen
in der p-Basisschicht 2' ist
ungefähr
gleich der der p-Schicht 2. Die Störstellenkonzentration von n-leitenden
Störstellen
in der n-Kathodenschicht 3 ist ca. 5 × 1019 Atome/cm3.
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Dann
wird ein Bereich, der den Trennbereich C aufweist, geätzt, so
daß die
p-Basisschicht 2' unter der
n-Kathodenschicht 3 freigelegt wird.
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In
der zweiten Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 1 wird eine n+-Schicht 4 durch
Diffundieren oder dergleichen gebildet. Danach werden auf der n+-Schicht 4 eine n++-Schicht 6 und
die p-Schicht 5 gebildet. Die n+-Schicht 4 und
die n++-Schicht 6 wirken als n-seitiger
Bereich des Diodenbereichs A und außerdem als ein n-Basisbereich
des GTO-Thyristorbereichs B.
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Die
Störstellenkonzentration
von n-leitenden Störstellen
in der n+-Schicht 4 ist ca. 3 × 1015 Atome/cm3, die
Störstellenkonzentration
von n-leitenden Störstellen
in der n++-Schicht 6 ist ca. 1 × 102 Atome/cm3, und
die Störstellenkonzentration
von p-leitenden Störstellen
in der p-Schicht 5 ist ca. 1 × 1018 Atome/cm3.
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Dann
werden in dem Trennbereich C p-leitende Schutzringbereiche 7 durch
Diffundieren oder dergleichen in der ersten Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats 1 gebildet. Die Störstellenkonzentration von p-leitenden
Störstellen
in den Schutzringbereichen 7 ist ca. 1 × 1016 Atome/cm3 bis 1 × 101
Atome/cm3 und bevorzugt ca. 5 × 1016 Atome/cm3.
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Wenn
mehr p-leitende Schutzringbereiche 7 gebildet werden, kann
die Isolation zwischen der p-Schicht 2 und der p-Basisschicht 2' verbessert
werden. Andererseits führt
eine Erhöhung
der Anzahl Schutzringe 7 zu einer Zunahme der Breite des Trennbereichs
C. Unter Berücksichtigung
dieser Tatsache wird die Anzahl der Schutzringbereiche 7 bevorzugt
geeignet vorgegeben. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden zwei Schutzringbereiche 7 gebildet.
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Dann
werden p-Dünnschichtbereiche 8 durch
Diffundieren oder dergleichen auf der ersten Hauptoberfläche des
Halbleitersub strats 1, die zu der Oberfläche des
Trennbereichs C freiliegt, gebildet. Die Störstellenkonzentration von p-leitenden
Störstellen
in den Dünnschichtbereichen 8 ist
ca. 5 × 1015 Atome/cm3 bis
5 × 1016 Atome/cm3 und
bevorzugt ca. 1 × 1016 Atome/cm3.
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Schließlich wird
eine Kathodenelektrode 12 auf der p-Schicht 2 in
dem Diodenbereich A angeordnet, eine Steuerungselektrode 11 wird
auf der p-Basisschicht 2' in
dem GTO-Thyristorbereich B angeordnet, und eine Kathodenelektrode 10 wird
auf der n-Kathodenschicht 3 angeordnet. Auf der zweiten Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrats wird eine Anodenelektrode 13 als gemeinsame
Elektrode für den
Diodenbereich A und den GTO-Thyristorbereich B angeordnet.
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In
der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung gemäß der bevorzugten
Ausführungsform macht
es daher eine diskrete Isolation mittels der Schutzringbereiche 7 in
dem Trennbereich C möglich,
die Größe des Trennbereichs
C zu verringern. Außerdem
ist es möglich,
Schwankungen der Isolationseigenschaften (des Widerstandswerts)
des Trennbereichs C weitgehend zu verringern.
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Die
JP 7-8656 A beschreibt eine Struktur, bei der nur die Schutzringbereiche
in dem Trennbereich C gebildet sind.
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Im
Fall einer Struktur, die nur die Schutzringbereiche aufweist, besteht
jedoch dann, wenn innerhalb der Schutzringbereiche oder dergleichen
ein Defekt die Isolationsfähigkeit
der Schutzringbereiche verschlechtert, ein Problem im Fall der Erzeugung
eines Kriechstroms.
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Dabei
fließt
ein Kriechstrom konzentriert in dem Bereich der Oberflächen des
Halbleitersubstrats 1 beispielsweise zwischen den Schutzringbereichen 7 und
der p-Schicht 2, was wiederum zu der Zerstörung des
Elements führt.
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Selbst
wenn die Kriechstrommenge äußerst gering
ist, so daß die
rückwärts leitende
Thyristoreinrichtung noch brauchbar bleibt, wird doch infolge der Zerstörung des
Elements, die durch die Konzentration des Kriechstroms ausgelöst wird,
die rückwärts leitende
Thyristoeinrichtung in einigen Fällen
schließlich
unbrauchbar.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
müssen
also bei der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung die Dünnschichtbereiche 8 vom
p-Typ gebildet werden, so daß dann,
wenn ein Kriechstrom erzeugt wird, dieser im Inneren der Dünnschichtbereiche 8 fließt. Das
ermöglicht
es, eine Konzentration des Kriechstroms, die im Fall der herkömmlichen
Techniken auftritt, zu vermeiden und dadurch zu verhindern, daß eine Stromkonzentration
das Element zerstört.
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Beispiel 1
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2 zeigt
ein erstes Beispiel. Die Struktur einer rückwärts leitenden Thyristoreinrichtung 100 ist die
gleiche wie die der in 1 gezeigten Thyristoreinrichtung.
Bei der in 2 gezeigten rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung 100 weist der Trennbereich C zwei
Schutzringbereiche 7 auf.
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Außerdem ist
der Abstand zwischen dem Schutzringbereich 7 und der p-Schicht 2,
der Abstand zwischen dem Schutzringbereich 7 und der p-Basisschicht 2' sowie der Abstand
zwischen den beiden Schutzringbereichen 7 jeweils 30 μm.
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3 zeigt
den Zusammenhang zwischen den Abständen zwischen den Schutzringbereichen 7 und
der p-Schicht u. dgl. und einer Durchbruchspannung zwischen der
Anodenelektrode und der Kathodenelektrode. Die Durchbruchspannung
zwischen der Anodenelek trode und der Kathodenelektrode ist als Verhältnis ausgedrückt, wobei
angenommen wird, daß eine
Durchbruchspannung 1 ist, wenn die Abstände zwischen den Schutzringbereichen 7 und der
p-Schicht 2 u. dgl. 30 μm
sind.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, nimmt die Durchbruchspannung
ab, wenn die Abstände
30 μm überschreiten.
Wenn die Abstände
50 μm oder
kleiner sind, nimmt die Durchbruchspannung insbesondere um bis zu
25 % ab.
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Wie 2 zeigt,
sind daher die Abstände zwischen
den Schutzringbereichen 7 und der p-Schicht 2 und
dergleichen bevorzugt 30 μm
oder kleiner.
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Beispiel 2
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4 zeigt
ein zweites Beispiel der Erfindung. Die Struktur einer rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung 100 ist gleich der der Thyristoreinrichtung
von 1. Bei der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung 100 von 4 weist
der Trennbereich C zwei Schutzringbereiche 7 auf. Die Abstände zwischen
den Schutzringbereichen 7 und der p-Schicht 2 und
dergleichen sind jeweils 30 μm.
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5 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Tiefe der Dünnschichtbereiche 8 und
einem Widerstandswert zwischen der Kathodenelektrode 12 der
Diode und der Kathodenelektrode 10 des GTO-Thyristors.
Der Widerstandswert wird als Verhältnis ausgedrückt unter
der Annahme, daß ein
Widerstandswert 1 ist, wenn die Tiefe der Dünnschichtbereiche 8 einen
wert von 10 μm
hat.
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Wie 5 zeigt,
nimmt der Widerstandswert allmählich
zu, wenn die Tiefe der Dünnschichtbereiche 8 kleiner
als ca. 10 μm
wird. Wenn dagegen die Tiefe ca. 10 μm oder mehr beträgt, ist
der Widerstandswert ungefähr
konstant.
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Zur
Erzielung von ausgezeichneten Isolationscharakteristiken an dem
Trennbereich C ist daher die Tiefe der Dünnschichtbereiche 8 bevorzugt
10 μm oder
geringer.
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6 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Konzentration der Dünnschichtbereiche 8 und dem
Widerstandswert zwischen der Kathodenelektrode 12 der Diode
und der Kathodenelektrode 10 des GTO-Thyristors. Der Widerstandswert
ist ausgedrückt
in Prozent (%) einer Zunahme ausgehend von einem Standard-Widerstandswert,
wobei davon ausgegangen wird, daß die Konzentration der Dünnschichtbereiche 8 einen
Wert von 5 × 1016 Atome/cm3 hat.
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6 zeigt
deutlich, daß es
möglich
ist, den Widerstandswert der Dünnschichtbereiche 8 zu
erhöhen,
wenn die Konzentration der p-leitenden Störstelle in den Dünnschichtbereichen 8 niedriger
ist.
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Um
also in dem Trennbereich C ausgezeichnete Isolationseigenschaften
zu erzielen, ist die Konzentration der Dünnschichtbereiche 8 bevorzugt
5 × 1016 Atome/cm3 oder
niedriger.
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Beispiel 3
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7 zeigt
ein drittes Beispiel. Die Struktur einer rückwärts leitenden Thyristoreinrichtung 100 ist gleich
der der Thyristoreinrichtung in 1. Bei der rückwärts leitenden
Thyristoreinrichtung 100 von 7 weist
der Trennbereich C zwei Schutzringbereiche 7 auf, und die
Abstände
zwischen den Schutzringbereichen 7 und der p-Schicht 2 und
dergleichen sind jeweils 30 μm
oder kleiner.
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Ferner
sind die Konzentrationen der p-leitenden Störstellen in den Schutzringbereichen 7,
der p-Schicht 2 und der p-Basisschicht 2' sowie den Dünnschichtbereichen 8 in
dieser Reihenfolge fortschreitend niedriger.
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Die
Tiefe der Schutzringbereiche 7 ist außerdem flacher als die p-Schicht 2 und
die p-Basisschicht 2'.
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Dadurch
sollen Höchstwerte
von elektrischen Feldern zwischen P, N und P aufgrund des Wachstums
einer Verarmungsschicht auf der Kathodenseite zu den Schutzringbereichen 7 mittels
der flachen Schutzringbereiche 7 unterdrückt werden.
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Es
besteht also eine Tendenz, daß die
elektrischen Felder, die zwischen P, N und P erzeugt werden, um
so höher
sind, je tiefer die Schutzringbereiche 7 sind, während die
elektrischen Felder um so gemäßigter sind,
je flacher die Schutzringbereiche 7 sind. Außerdem besteht
die Tendenz, daß die
zwischen den tiefen Bereichen erzeugten elektrischen Felder hoch
und diejenigen zwischen den flachen Bereichen niedrig sind.
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Mit
den flachen Schutzringbereichen 8 ist es somit möglich, die
zwischen P, N und P erzeugten elektrischen Felder zu verringern.